Исследование армированных облегченных тампонажных материалов

М ашиночитаемая информация о CC- лицензии в метаданных статьи (HTML- код ):

, публикуется на условиях ...

О бщий принцип получения расширяющихся цементов состоит в том, что внутри затвердевающего цементного камня начинают появляться и увеличиваться в объеме некоторые новообразования, раздвигающие каркас образующегося камня.

В строительной практике широко используются расширяющиеся и напрягающиеся цементы, причем механизм расширения и химия процесса подробно освещены в литературе [6–9]. При этом все происходящие процессы можно увидеть, поскольку они проходят на поверхности. Расширяющиеся цементы для крепления скважин во многом аналогичны по механизму [1, 2]. Однако есть существенные отличия, связанные с большими водоцементными отношениями, снижающими эффект расширения.

На рис. 1 схематически показано поведение расширяющей добавки при увеличении водоцементного отношения (В/Ц) в тампонажном растворе. Между продуктами твердения (кристаллогидратами) находится расширяющая добавка, пунктиром отмечено ее увеличение, при котором она раздвигает кристаллогидраты друг от друга, приводя к расширению цементного камня и нарастанию внутренних напряжений.

В/Ц = 0,3

В/Ц = 0,6

В/Ц = 1,0

Рис. 1. Схема, поясняющая механизм расширения цемента при увеличении водоцементного отношения

При водоцементном отношении (равном 1,0) расстояние между кристаллогидратами очень сильно увеличивается, приводя к тому, что расширяющая добавка после расширения может не достигнуть их. Таким образом, цементный камень за счет контракции может даже дать усадку, что приведет к образованию канала между обсадной колонной и цементным камнем, цементным камнем и горной породой.

Нами экспериментально была исследована кинетика расширения облегченных цементов в зависимости от водоцементного отношения при 20 и 50оС. Мы считаем, что такой диапазон температур весьма приемлем в работе с облегченными цементами, так как цементы низкой плотности в основном применяются на небольших глубинах, в которых пластовая температура не превышает 50оС. Кроме того, в России – тысячи скважин, где разница между забоем и устьем не превышает 25–30оС.

В качестве облегченного тампонажного цемента использовался гельцемент, получаемый добавкой в цемент глины. Последняя, обладая способностью адсорбировать воду в больших количествах, снижает плотность раствора. Гельцементные растворы и в настоящее время успешно применяются при креплении скважин, поскольку из них формируется цементный камень с удовлетворительной прочностью. Достоинством гельцементных растворов является пониженная водоотдача – в 2–3 раза ниже, чем у обычных цементных растворов.

В качестве расширяющей добавки использована добавка ДР-50, ра-ботаюшая на основе оксидного расширения.

Экспериментальные исследования параметров цементных растворов и полученного камня проводились согласно стандарту АPI. Коэффициент линейного расширения изучался на приборе, разработанном компанией Шлюмберже. Прибор имеет кольцевую форму и моделирует затрубное пространство скважины [10]. Для определения давления расширения, возникающего при твердении расширяющихся цементов, был разработан специальный прибор. Взаимодействие цементной матрицы с расширяющими, облегчающими добавками и фиброй оценивались электронной микроскопией. Для изучения фазового состава продуктов твердения использован рентгенофазовый метод.

Состав тампонажных растворов и коэффициенты линейного расширения (КЛР) цементного камня приведены в табл. 1.

Из табл. 1 видно, что при уменьшении плотности цементного раствора путем увеличения водоцементного отношения снижается коэф-

Таблица 1

Влияние водоцементного отношения раствора (В/Ц) на коэффициент линейного расширения получаемого камня

Вяжущее РД,% КЛР, %, при твердении цементов с различным В/Ц,% 0,6 0,7 0,8 0,9 1,0 Температура 20оC ПЦ+ глина (7–10%) 10 1,92 1,65 1,54 1,47 1,01 Температура 50оC ПЦ+ глина (7–10%) 10 0,92 0,68 0,48 0,37 0,36 фициент линейного расширения, что потверждает все сказанное выше о кинетике расширения облегченных цементов.

Мы полагаем, что для получения облегченных расширяющихся тампонажных материалов необходимо сочетать расширяющую добавку с армирующей добавкой (фиброй). Это позволяет получить эффект расширения в облегченных тампонажных растворах, суть которого состоит в следующем. При твердении цементов протекает два конкурирующих процесса. Первый – усадка, вызываемая контракцией, второй – расширение, связанное с увеличением объема образовавшегося цементного геля по сравнению с объемом цемента [11]. Суммарный результат этих процессов, разнонаправленно влияющих на изменение объема твердеющей системы, и будет определять усадку или расширение при твердении цементов. При использовании расширяющих добавок совместно с фиброй величина расширения получается выше за счет того, что кристаллизационное давление расширяющей добавки передается на каркас, образованный фиброй.

Проверка указанных предположений проводилась экспериментально. Для этого определялся коэффициент линейного расширения (КЛР) у цементов, облегченных пеностеклом в количестве 5,5%, с добавлением различных видов волокон (БФ – базальтовая фибра 3 и 6 мм; Асбест; ВСМ – волокно строительное микроармирующее). Результаты, представленные в табл. 2, показали, что волокна оказывают реальное

Таблица 2

Влияние армирующих добавок в составе цемента на коэффициент линейного расширения (КЛР) при твердении

Номер опыта В/Ц ДР-50, % Вид армирующей добавки (0,5%) Т, оC Коэффициент линейного расширения (КЛР) 24 часа 1 0,8 10 – 22 0,914 50 0,604 2 0,8 10 – 22 1,16 50 0,654 3 0,8 10 Базальтовая фибра 3 мм 22 1,605 50 0,688 4 0,8 10 Базальтовая фибра 6 мм 22 1,548 50 0,732 5 0,8 10 ВСМ 22 1,913 50 0,951 6 0,8 10 Асбест 22 1,514 50 1,157 влияние на расширение цементных растворов при твердении, наилучшие результаты получены при добавлении ВСМ.

Ранее проведенные работы [11–18], показали, что базальтовая фибра имеет высокую адгезию с цементной матрицей. На рис. 2 показаны полученные нами снимки электронной микроскопии, которые показывают плотную область контакта между фиброй и матрицей и отсутствие между ними зазоров и каких-либо трещин.

На рис. 3 показано взаимодействие между базальтовой фиброй, продуктами твердения и расширяющей добавкой. Наличие расширяющей добавки было доказано проведением элементного анализа ядра. Можно уверенно это утверждать, поскольку ядро практически содержит только гидроксид кальция. Из этого рисунка также можно сделать вывод о том, что все компоненты находятся в тесном контакте друг с другом, что в очередной раз подтверждает нашу рабочую гипотезу.

Рис. 2. Область контакта между фиброй и цементной матрицей (х 950)

Рис. 3. Влияние базальтовой фибры на расширение (х 1100)

Кроме того, нами было замечено, что после добавления в цемент пеностекла (рис. 4) коэффициент линейного расширения увеличился. Этот факт мы объясняем наличием плотного контакта между пеностеклом и цементной матрицей (рис. 5)

Анализ литературных и экспериментальных данных показывает, что при добавлении волокна в цементный раствор повышается тре-щиностойкость и сопротивляемость камня разрушению, особенно при динамическом нагружении. В работах [11, 12, 19] экспериментально было доказано, что использование фиброволокна в составе тампонажного раствора повышает стойкость тампонажного камня к ударным нагрузкам, а также увеличивает прочность на изгиб/сжатие. Это также

Рис. 4. Пеностекло (х 45)

Рис. 5. Пеностекло во взаимодействии с цементной матрицей (х 230)

подтверждают и последующие работы [20]. Применение базальтового волокна позволило повысить ударную прочность на 76,5%, полипропиленового – на 35,3%.

Кроме того, нами были проведены эксперименты по определению удельной ударной вязкости разрушения цементного камня при добавлении различных видов волокон, которые показали весьма интересные результаты. Испытания проводились на вертикальном копре, и их суть заключалась в определении энергии разрушения образцов цементного камня при последовательном свободном сбрасывании груза определенной массы с принятой постоянной высоты до разрушения стандартного образца, обычно куба (табл. 3). Удельная ударная вязкость разрушения (А, Дж/см3) рассчитывалась делением суммарной потенциальной энергии, затраченной на разрушение, на объем испытуемого образца.

Влияние армирования цемента на удельную ударную вязкость разрушения цементного камня

Таблица 3

№ опыта	Рецептура	Плотность, кг/м3	В/Ц	Удельная ударная вязкость, Дж/см3, после твердения, сутки
				3	7	14
1	ПЦ	1530	0,8	0,035	0,044	0,065
2	ПЦ+0,25%БФ	1540	0,8	0,069	0,069	0,088
3	ПЦ+0,5%БФ	1540	0,8	0,094	0,140	0,108
4	ПЦ+ 0,75%БФ	1540	0,8	0,125	0,161	0,177
5	ПЦ+1%БФ	1540	0,8	0,187	0,187	0,203
6	ПЦ+0,25%ВСМ	1530	0,8	0,051	0,064	0,162
7	ПЦ+0,5%ВСМ	1530	0,8	0,093	0,051	0,107
8	ПЦ+0,75%ВСМ	1530	0,8	0,086	0,079	0,107
9	ПЦ+1%ВСМ	1530	0,8	0,106	0,121	0,130
10	ПЦ+0,25%Асбест	1550	0,8	0,035	0,086	0,086
11	ПЦ+0,5% Асбест	1540	0,8	0,045	0,056	0,101
12	ПЦ+ 0,75% Асбест	1530	0,8	0,051	0,054	0,092
13	ПЦ+1% Асбест	1530	0,8	0,054	0,072	0,069

Из табл. видно, что ввод волокон положительно сказывается на ударостойкости цементного камня: наилучшие результаты получены с добавкой базальтовой фибры, при добавлении в тампонажный раствор 1% БФ удароустойчивость повысилась в 3,1 раза. ВСМ показывает неплохие результаты, из полученных данных можно сделать вывод, что для того, чтобы увеличить значение удельной ударной вязкости в 2 раза, достаточно добавить 0,25–0,5% ВСМ. Как показывают эксперименты, такое количество волокна не оказывает отрицательного влияния на подвижность и прокачиваемость цементных растворов.

При получении армированных облегченных цементов важным является «бережное» приготовление сухой смеси, для того чтобы исключить разрушение облегчающих добавок и разрыва фибры. Поэтому необходимо использовать технологические линии, где предусмотрен ввод ряда компонентов в воздушном потоке, что существенно повышает гомогенность получаемой смеси [21].

При получении расширяющихся цементов важно согласование кинетики гидратации базового цемента и расширяющей добавки.

Быстрая гидратация расширяющей добавки (до образования структуры цементного камня) не приведет к расширению цементного камня, поскольку энергия расширения уйдет на раздвижку зерен цемента в жидкости затворения или раздвижку несвязанных продуктов твердения, находящихся еще в цементно-водной суспензии.

Поскольку при креплении скважин процесс приготовления, закачки и продавки тампонажного раствора составляет несколько часов, то при определении расширения цементного камня необходимо моделировать вышеуказанные процессы, проводя измерения расширения только через несколько часов перемешивания тампонажного раствора. Оптимальное время действия расширяющей добавки – от 6 до 24 часов [10].

Поздняя гидратация расширяющей добавки может привести к разрушению цементного камня, поскольку в цементном камне возникает прочная кристаллизационная структура, которая может не выдержать внутренних напряжений при увеличении объема расширяющего компонента.

В межколонном пространстве или в интервалах плотных пород расширяющиеся цементы, несомненно, повысят напряженность контакта с сопредельными поверхностями, поскольку свободного пространства для расширения не будет.

В этом случае внутри цементного камня будут возникать дополнительные внутренние напряжения, которые не смогут релаксироваться, залечиваться дополнительно гидратирующим цементом, и будут сохраняться внутри камня, повышая его хрупкость. Причем, чем выше величина расширения, тем больших значений достигают опасные внутренние напряжения.

Поэтому в скважинах, зацементированных цементами с большой величиной расширения, через некоторое время (несколько месяцев) или после проведения работ внутри обсадной колонны следует ожидать значительного ухудшения герметичности крепи по сравнению со скважинами, зацементированными нерасширяющимися цементами.

Возвращаясь к рис. 3, можно сделать вывод, что в данном образце произошла поздняя гидратация расширяющей добавки, повлекшая разрушение кристаллов цемента.

В работе [20] обосновано, что расширение 1,5–2,5% должно быть достаточным для расширяющихся тампонажных цементов, обеспечивая герметичный контакт и создавая небольшие внутренние напряжения, которые не разрушат цементный камень, а образовавшиеся микротрещины могли быть залечены при продолжающейся гидратации цемента.

Для высокотемпературных скважин, в которых образуется более прочный цементный камень, расширение не должно превышать 1,0–1,5%.

Стоит отметить, что выбранный нами диапазон пластовых температур позволяет безболезненно регулировать кинетику гидратации расширяющей добавки.

Выбор компонентов для получения расширяющих добавок также невелик.

В первую очередь, это оксиды кальция и магния, обеспечивающие оксидное расширение за счет образования гидроксида кальция и гидроксида магния, имеющих больший объем по сравнению с первоначально взятыми оксидами. Кинетика гидратации оксидов кальция и магния регулируется температурой обжига известняка и магнезита [1, 10].

Другой тип расширения – сульфоалюминатный – обеспечивается образованием в твердеющем цементном камне избыточного количества гидросульфоалюмината кальция (эттрингита), образующегося при взаимодействии продуктов гидратации алюминатных вяжущих и гипса [8].

Третий тип расширения – за счет применения газовыделяющих добавок – в практике строительства скважин неприемлем, поскольку при высоких давлениях образующийся газ может растворяться в поровой жидкости цементного камня.

При проектировании составов тампонажных материалов для высоких температур применение сульфоалюминатного расширения невозможно, поскольку при температурах выше 100оС гидросульфоалюминат кальция практически не образуется. Кроме того в составе таких цементов отсутствует алюминатная фаза, обладающая высокой скоростью твердения уже при нормальных температурах и являющаяся необходимой для образования гидросульфоалюмината кальция.

Оксидное расширение при температурах до 100оС за счет гидратации оксида кальция также не приемлемо, поскольку данное соединение активно реагирует с водой до достижения рабочей температуры.

Поэтому в высокотемпературных скважинах наиболее реальным является оксидное расширение за счет гидратации оксида магния. Более того, желательно, чтобы оксид магния входил в состав компонентов вяжущего, чтобы исключить его дополнительный ввод при приготовлении цемента.

Выводы

Увеличение водоцементного отношения тампонажных растворов всегда снижает эффективность применения любых расширяющих добавок, за счет увеличения расстояния между продуктами твердения цемента.

Добавка любых видов фибры способствует расширению облегченных цементов за счет передачи расклинивающего давления от расширяющей добавки к продуктам твердения цементного камня через каркас, образованный фиброармирующими элементами.

Низкая сопротивляемость тампонажного камня растягивающим напряжениям, плохие деформационные свойства и низкая удароустой-чивость являются основными причинами нарушения целостности крепи скважин.

Армирующие добавки в тампонажном растворе положительно влияют на удароустойчивость цементного камня.

Использование расширяющих добавок оксидного типа является предпочтительным в тампонажных растворах по сравнению с добавками сульфоалюминатного типа и газовыделяющими добавками.

Повышение количества армирующих добавок в составе цемента и увеличение длины их волокон ухудшает приготовление тампонажных растворов из-за комкования добавок.

Экспериментально показано, что поздняя гидратация расширяющей добавки приводит к разрушению структурного каркаса образующегося цементного камня.